Чем Docker отличается от виртуальной машины?
Я перечитываю документацию Docker, пытаясь понять разницу между Docker и полноценной виртуальной машиной. Как Docker удается предоставлять полноценную файловую систему, изолированную сетевую среду и т.д., не будучи таким ресурсоемким?
Почему развертывание программного обеспечения в Docker-образе проще, чем просто развертывание в согласованном производственном окружении?
Docker принципиально отличается от виртуальных машин своей архитектурой — в то время как виртуальным машинам требуется полноценная гостевая операционная система с собственным ядром для каждого экземпляра, контейнеры Docker совместно используют ядро операционной системы хоста и виртуализируют только прикладной слой. Это фундаментальное различие в архитектуре позволяет Docker предоставлять изолированные среды с собственными файловыми системами, сетевым взаимодействием и процессами, будучи при этом значительно более легковесными и эффективными с точки зрения использования ресурсов, чем традиционные виртуальные машины.
Содержание
- Архитектурные основы
- Сравнение механизмов изоляции
- Эффективность использования ресурсов и производительность
- Различия в реализации файловых систем
- Подходы к сетевому взаимодействию
- Преимущества развертывания
- Когда использовать каждую технологию
Архитектурные основы
Основное различие между Docker и виртуальными машинами заключается в их фундаментальной архитектуре. Виртуальные машины запускают полноценную гостевую операционную систему с собственным ядром поверх гипервизора, который виртуализирует базовое оборудование. Это означает, что каждая ВМ содержит полную копию операционной системы, включая ядро, системные библиотеки и приложения.
Контейнеры Docker, с другой стороны, совместно используют ядро операционной системы хоста и виртуализируют только прикладной слой. Как объясняется в документации AWS, “Docker позволяет запускать приложение на любой операционной системе. Он использует изолированные экземпляры пользовательского пространства, известные как контейнеры”. Этот архитектурный подход устраняет необходимость дублирования ядра для каждого экземпляра контейнера.
Фундаментальное различие позволяет Docker: Использовать меньше ресурсов: контейнерам не нужно дублировать всю операционную систему, только библиотеки и двоичные файлы, необходимые для запуска приложения.
При запуске контейнера Docker (через компонент containerd) создает изолированный процесс с собственным пространством имен и файловой системой, все это при работе на ядре хоста. Именно поэтому контейнеры часто описываются как “легковесные” — они не требуют накладных расходов полноценного экземпляра операционной системы.
Сравнение механизмов изоляции
И контейнеры Docker, и виртуальные машины обеспечивают изоляцию, но они достигают этого разными механизмами. Виртуальные машины используют аппаратную виртуализацию через гипервизор, который создает полностью изолированные среды с отдельными ядрами и операционными системами.
Контейнеры Docker rely on Linux kernel features for isolation. According to Wikipedia, “When running on Linux, Docker uses the resource isolation features of the Linux kernel (such as cgroups and kernel namespaces) and a union-capable file system (such as OverlayFS) to allow containers to run within a single Linux instance.”
Основные механизмы изоляции в Docker включают:
-
Пространства имён (Namespaces): Обеспечивают изоляцию процессов, делая каждый контейнер похожим на拥有 собственного набора процессов, сетевых интерфейсов, точек монтирования и идентификаторов пользователей. Как объясняется в DEV Community, “Пространства имён обеспечивают изоляцию — процессы в разных пространствах имён не могут видеть или вмешиваться друг в друга.”
-
Control Groups (cgroups): Ограничивают использование ресурсов (CPU, память, дисковый ввод-вывод) для контейнеров, предотвращая потребление всех доступных ресурсов одним контейнером.
-
Объединённые файловые системы (Union File Systems): Позволяют создавать слоистые файловые системы, в которых контейнеры могут разделять общие базовые слои, имея при этом собственные записываемые слои.
Как отмечено на Server Fault, “В контейнерах эти операционные системы изолированы (у них есть собственные файловые системы, процессы, библиотеки, включая libc, IP-адреса и т.д.), но nevertheless они используют одно и то же ядро.”
Эффективность использования ресурсов и производительность
Архитектурные различия напрямую переводятся в значительные преимущества эффективности использования ресурсов для контейнеров Docker. Виртуальные машины обычно требуют гигабайтов оперативной памяти и дискового пространства на экземпляр, поскольку каждой нужна полноценная операционная система.
Контейнеры Docker значительно легче, поскольку они совместно используют ядро хоста и содержат только приложение и его зависимости. Microsoft Q&A подчеркивает этот benefit: “Это фундаментальное различие позволяет Docker: Использовать меньше ресурсов: контейнерам не нужно дублировать всю операционную систему, только библиотеки и двоичные файлы, необходимые для запуска приложения.”
Эффективность использования ресурсов проявляется несколькими способами:
- Использование памяти: контейнеры обычно используют только мегабайты оперативной памяти для самого приложения, в то время как ВМ нужны сотни мегабайт или гигабайты только для накладных расходов операционной системы
- Время запуска: контейнеры могут запускаться за миллисекунды или секунды, в то время как ВМ часто требуют минут для загрузки полной операционной системы
- Хранилище: образы контейнеров обычно намного меньше образов ВМ, поскольку они не включают всю операционную систему
- Плотность: на одном и том же оборудовании может работать больше контейнеров по сравнению с ВМ из-за более низких требований к ресурсам
Backblaze подтверждает этот момент: “Они [ВМ] обеспечивают сильную изоляцию, но ресурсоемки.” Эта эффективность использования ресурсов является причиной того, что контейнеры Docker могут обеспечивать тот же уровень изоляции для приложений, будучи при этом значительно более легковесными.
Различия в реализации файловых систем
Подходы к файловым системам значительно различаются между контейнерами Docker и виртуальными машинами. Виртуальные машины используют полноценные виртуализированные файловые системы, которые эмулируют целые разделы диска, включая все системные файлы и каталоги.
Контейнеры Docker используют более сложный слоистый подход на основе объединенных файловых систем. Согласно Stack Overflow, “docker использует UnionFS, который является слоистой файловой системой.”
Основные характеристики файловых систем контейнеров Docker:
- Слоистая архитектура: образы контейнеров состоят из нескольких доступных только для чтения слоев, которые могут разделяться между контейнерами, с записываемым слоем сверху
- Копирование при записи (Copy-on-Write): изменения записываются в записываемый слой только при внесении модификаций, сохраняя неизменными нижележащие доступные только для чтения слои
- Эфемерный характер: как отмечено в DEV Community, “У контейнеров эфемерные файловые системы; изменения исчезают при остановке контейнеров”
- Объединенные файловые системы: технологии такие как OverlayFS, AUFS или Btrfs обеспечивают этот слоистый подход
Эта файловая система делает контейнеры Docker чрезвычайно эффективными:
- несколько контейнеров могут разделять общие базовые слои, экономя дисковое пространство
- образы контейнеров обычно намного меньше образов дисков ВМ
- сборка и распространение образов контейнеров происходит быстрее из-за инкрементальных изменений
- откат изменений проще с использованием разных слоев образа
Подходы к сетевому взаимодействию
Сетевое взаимодействие существенно различается между контейнерами Docker и виртуальными машинами. Виртуальные машины обычно имеют отдельные виртуальные сетевые карты (NIC) с собственными IP-адресами и сетевыми стеками, часто управляемые виртуальными коммутаторами.
Контейнеры Docker используют сетевое взаимодействие на основе пространств имен, которое разделяет сетевой стек хоста, обеспечивая изоляцию. Как объясняется на HOSTIM.DEV, “сетевое взаимодействие контейнеров по умолчанию обычно использует NAT/bridge; у ВМ часто есть отдельные виртуальные NIC — поведение и брандмауэры различаются.”
Функции сетевого взаимодействия Docker включают:
- Изоляция пространств имен: каждый контейнер получает собственное сетевое пространство имен, делая его похожим на наличие собственных сетевых интерфейсов
- Сетевые мосты (Bridge Networks): режим сетевого взаимодействия по умолчанию, который создает виртуальный мост на хосте и подключает к нему контейнеры
- Сопоставление портов (Port Mapping): контейнеры могут открывать порты на хост-машине через NAT
- Пользовательские сети: Docker позволяет создавать изолированные сети для групп контейнеров
Различия в сетевом взаимодействии влияют на производительность и конфигурацию:
- сетевое взаимодействие контейнеров обычно имеет меньшие накладные расходы, чем сетевое взаимодействие ВМ
- сетевое взаимодействие ВМ часто требует более сложных правил брандмауэра и конфигураций маршрутизации
- сетевое взаимодействие контейнеров в целом более гибко для микросервисных архитектур
- сетевое взаимодействие ВМ обеспечивает более сильную изоляцию на сетевом уровне
QA.com хорошо резюмирует это: “Поскольку ядро хоста не разделяется, использование docker-engine делает контейнеры небольшими, изолированными, совместимыми, высокопроизводительными и быстро реагирующими.”
Преимущества развертывания
Контейнеры Docker предлагают значительные преимущества развертывания по сравнению с традиционными развертываниями на основе ВМ. Развертывания виртуальных машин часто страдают от проблем “у меня работает на машине” из-за различий между средами разработки, тестирования и производства.
Контейнеры Docker решают эту проблему, упаковывая приложения вместе со всеми их зависимостями в переносимые единицы. Make Tech Easier объясняет: “Docker — это платформа, которая позволяет разработчикам упаковывать приложение вместе со всеми необходимыми компонентами в компактные, переносимые единицы, известные как контейнеры.”
Ключевые преимущества развертывания включают:
- Согласованность во всех средах: контейнеры обеспечивают одинаковую работу приложений везде, от разработки до производства
- Более быстрые циклы развертывания: контейнеры могут запускаться и останавливаться за секунды, позволяя быстрое масштабирование и развертывание
- Упрощенные зависимости: все необходимые библиотеки и зависимости включены в образ контейнера
- Контроль версий: образы контейнеров могут версионироваться и отслеживаться как код
- Возможности отката: предыдущие версии контейнеров могут быть легко развернуты снова
Переносимость контейнеров Docker делает развертывание значительно проще, потому что:
- тот же образ контейнера может запускаться на любой системе с установленным Docker
- нет необходимости настраивать базовую операционную систему для каждого приложения
- зависимости инкапсулированы и не конфликтуют с системными пакетами
- конфигурации, специфичные для среды, могут управляться через переменные среды и файлы конфигурации
FreeCodeCamp states: “A Docker container virtualizes only the application layer, and runs on top of the host operating system.” Этот подход устраняет сложность управления отдельными операционными системами для каждого развертывания приложения.
Когда использовать каждую технологию
Хотя контейнеры Docker предлагают многие преимущества, виртуальные машины все еще имеют важные варианты использования. Выбор зависит от конкретных требований:
Выбирайте контейнеры Docker, когда:
- вам нужно быстро и последовательно развертывать приложения во всех средах
- эффективность использования ресурсов и плотность важны
- вы работаете с микросервисными архитектурами
- вам нужны быстрые циклы масштабирования и развертывания
- приложение может работать на том же ядре, что и хост
Выбирайте виртуальные машины, когда:
- вам нужно запускать приложения на других операционных системах, чем хост
- требуется сильная изоляция на уровне ядра
- вам нужно запускать устаревшие приложения, требующие определенных версий ядра
- требования безопасности требуют полной аппаратной виртуализации
- вам нужно управлять гетерогенными рабочими нагрузками с разными требованиями к ОС
Видео SpaceRex на YouTube предполагает, что во многих случаях “вы, вероятно, должны использовать обе” технологии — контейнеры для современных приложений и ВМ для устаревших систем или когда требуется сильная изоляция ядра.
Решение часто сводится к конкретному варианту использования и требованиям, но понимание архитектурных различий помогает сделать правильный выбор для каждого сценария.
Источники
- Microsoft Q&A - How is Docker different from a virtual machine?
- AWS - Docker vs VM - Difference Between Application Deployment Technologies
- Stack Overflow - How is Docker different from a virtual machine?
- Make Tech Easier - Docker vs. Virtual Machine: Which One You Should Use
- Backblaze Blog - Docker Containers vs. VMs: A Look at the Pros and Cons
- AWS - Containers vs VM - Difference Between Deployment Technologies
- QA.com - Docker vs. Virtual Machines: Differences You Should Know
- Server Fault - What is the difference between containers and virtual machines?
- HOSTIM.DEV - Docker vs Virtual Machines
- FreeCodeCamp - Docker vs Virtual Machine (VM) – Key Differences You Should Know
- Wikipedia - Docker (software)
- Wikipedia - Linux namespaces
- DEV Community - Docker Fundamentals: Understanding Containers and the Docker Ecosystem
- DEV Community - Understanding Linux Kernel Namespaces: The Magic Behind Containers
- DEV Community - Understanding Linux Namespaces: A Guide to Process Isolation
- DEV Community - Deep Dive into Docker Architecture
- Moldstud - Understanding Docker Images and Containers - Fundamentals of Architecture Explained
- Hacker News - Why did containers happen?
- SentinelOne - 9 Docker Container Security Best Practices
- Hostman - What Is Docker Used For: Containerization Basics
Заключение
Docker и виртуальные машины представляют принципиально разные подходы к виртуализации приложений и изоляции. Контейнеры Docker достигают своего легковесного характера, разделяя ядро операционной системы хоста и используя пространства имен ядра Linux и cgroups для изоляции, в то время как виртуальные машины обеспечивают полную аппаратную виртуализацию с отдельными операционными системами для каждого экземпляра.
Ключевые архитектурные различия делают контейнеры Docker значительно более эффективными с точки зрения использования ресурсов, при этом все еще обеспечивая необходимую изоляцию для большинства приложений через пространства имен ядра, слоистые файловые системы и сетевое взаимодействие контейнеров. Эта эффективность переводится в более быстрые циклы развертывания, лучшее использование ресурсов и упрощенное управление зависимостями.
Для развертывания контейнеры Docker excel в обеспечении согласованности во всех средах, упаковывая приложения вместе со всеми их зависимостями, устраняя проблему “у меня работает на машине”, которая часто преследует традиционные развертывания. Переносимость и эффективность контейнеров делают их идеальными для современных микросервисных архитектур и облачных нативных приложений.
Хотя виртуальные машины все еще имеют важные варианты использования для устаревших приложений, гетерогенных сред или когда требуется сильная изоляция ядра, контейнеры Docker стали предпочтительным выбором для большинства современных развертываний приложений благодаря их эффективности, скорости и преимуществам согласованности.